Giáo trình môn Hóa học - Chương 2: Cấu tạo nguyên tử

Nội dung text: Giáo trình môn Hóa học - Chương 2: Cấu tạo nguyên tử

1. CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. Các cấu tử chánh: 1. Các hạt cơ bản: Electron(e) -1 Nguyên tử Nhân Proton(p) +1 1dvc Neutron(n) 0 1dvc me/mp = 1/1840 Kl(ng.t) = Kl(nhân)
2. 2. Ký hiệu nguyên tử: A Z: Bậc số nguyên tử= ∑p trong nhân X A= Số khối = ∑p + ∑n Z Td: 12 ∑p = 6 C ∑n = 12 – 6 = 6 Nguyên 6 tử ở trạng thái cơ bản trung hòa điện ∑e = ∑p =6
3. 3. Nguyên tử đồng vị: Cùng Z nhưng khác A 1 2 3 Đều có 1 protn nhưng H H H có 0; 1; 2 neutron 1 1 1 12 13 14 Đều có 6 proton nhưng C C C có 6; 7; 8 neutron 6 6 6 35 36 37 Đều có 17 proton Cl Cl Cl nhưng có 18; 19; 20 neutron 17 17 17 Các ng.t đồng vị có cùng Z ∑e bằng nhau hóa tính giống nhau.
4. 4. Nguyên tố – nguyên tử: Một nguyên tố xác định khi có một giá trị Z xác định. Trong 1 ng.tố có thể gồm nhiều nguyên tử đồng vị với thành phần xác định 1 2 1H gồm: H(99,985%) và H(0,015%) 35 37 17Cl gồm: Cl(75,4%) và Cl(24,6%) 12 13 6C gồm: C(98,982%) và C(1,018%) Klnt (ng.tố) =∑Ai.%(i)/100 Td: klnt(Cl) = (35.75,4 + 37.24,6)/100 = 35,453
5. II. Cấu tạo nguyên tử theo thuyết cơ lượng tử. e di chuyển trên các orbital ng.tử[atom orbital](AO) * Về ph.d vật lý:AO là vùng kh. gian bao quanh nhân trên đó xác suất tìm thấy e cực đại từ 90→99% * Về ph.d toán học:AO được biểu diễn bởi hàm số Ѱn,l,m là nghiệm của p.t sóng Schrodinger ∂2 Ѱ ∂2 Ѱ ∂2 Ѱ 8π2m ── + ── + ── + ─── (E – V) Ѱ = 0 ∂x2 ∂y2 ∂z2 h2 Giải p.t này các cặp nghiệm E; Ѱ
6. 1. Hệ 1 electron: 1H : nhân 1+ và 1e di chuyển quanh nhân + 2He → 2He + e : nhân 2+ và 1e quanh nhân 2+ 3Li → 3Li + 2e : nhân 3+ và 1e quanh nhân Hệ 1e Nhân có Z+ và 1(e) quanh nhân Giải p.t Schrodinger áp dụng cho hệ 1(e) Các hàm Ѱn,l,m biểu diễn các AO , và En AO có dạng xác định khi hàm Ѱn,l,m xác dịnh. Ѱn,l,m xác định khi các số lượng tử n,l,m có giá trị xác dịnh
7. a. Các số lượng tử: α. Số lượng tử chánh n = 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; ∞ Số lượng tử n cho biết lớp mà e di chuyển trên đó, và cho biết kích thước của AO n = 1 2 3 4 5 6 7 ∞ Lớp K L M N O P Q 2 Z En < 0 và En ↑ khi n↑ En = - 13,6 *── eV n↑ kích thước AO↑ n 2 12 n=1 E1 = -13,6. ── = -13,6eV 2 Td: 1H: 1 2 1 n=2 E2 = -13,6. ── = - 3,4 eV 22
8. 22 n =1 E1 = -13,6* ── = -54,4eV 2 1 22 + n = 2 E2 = -13,6* ── = -13,6eV 2He (Z=2): 22 22 n =3 E3 = -13,6* ── = - 6,05eV 32 Z2 Xn+ : Z n = ∞ E∞ = -13,6* ── = 0 eV ∞2
9. β. Số lượng tử phụ l: Với1giá trị n l có n trị số: 0;1;2; 3; 4; 5; ; n-1. Số lượng tử phụ l cho biết hình dạng của AO và phân lớp có trong 1 lớp thứ n của nguyên tử. l 0 1 2 3 4 5 6 7 . Ph.l s p d f g h i j γ. Số lượng tử từ m (ml): Với 1 giá trị của l m có (2l+1) trị số: m = -l; -(l-1); -(l-2); ; 0; 1; 2; ; +l Số lượng tử từ m cho biết sự định hướng của AO trong không gian
10. Vậy n l m Ѱn,l,m (nl) AO 1 0 0 Ѱ1,0,0 1s 1s lớp K(n=1) có1 phân lớp(1s) và chỉ có 1AO(1s)
11. n l m Ѱn,l,m (nl) AO 2 0 0 Ѱ2,0,0 2s 2s 1 -1 Ѱ 2,1,-1 2px 0 Ѱ 2p 2,1,0 2py +1 Ѱ 2,1,+1 2pz lớp L(n=2) có 2 phân lớp: 2s có 1 AO(2s) và 2p có 3 AO ( 2px; 2py; 2pz )
12. n l m Ѱn,l,m nl AO 3 0 0 Ѱ3,0,0 3s 3s -1 Ѱ3,1,-1 3px 1 0 3p Ѱ3,1,0 3py +1 Ѱ3,1,+1 3pz 3d -2 Ѱ3,2,-2 xy -1 Ѱ 3d 3,2,-1 3d yz 2 0 3d Ѱ3,2,0 z2 +1 3d Ѱ3,2,+1 xz +2 3d Ѱ3,2,+2 x2 – y2 lớp M(n=3) có 3 phân lớp: 3s (1AO); 3p(3AO) ; 3d(5AO)
13. n = 4 l= 0;1;2;3 có 4 phân lớp: 4s;4p;4d;4f Phân lớp 4f (l=3) => m có (2.3+1)=7 giá trị 7AO Lớp thứ n có n phân lớp: ns;np;nd;nf;
14. δ. Số lượng tử spin ms Trạng thái chuyển động của elctron còn được biểu diễn bởi một số lượng tử thứ tư là ms: khi di chuyển quanh nhân electron có thể tự quay quanh trục đối xứng theo 2 chiều trái nhau( thuận và ngược chiều kim đồng 1 hồ) 1 Số lượng tử ms có 2 gjá trị : ms =- ── và ms= + ── 2 2 Trạng thái chuyển động của electron được xác định bởi 4 số lượng tử: n,l,m,ms. Mỗi e trong 1 ng.tử đều có 4 số lượng tử n,l,m,ms xác định.
15. b. Ghi chú: *trong hệ 1(e) Các ph.l ϵ 1 lớp có En bằng nhau *e có thể di chuyển trên bất kỳ lớp nào từ n=1→∞ *Khi e di chuyển ở lớp nào En của lớp đó Z2 En = -13,6. ── eV n2 *Ở trạng thái cơ bản: Hệ có E nhỏ nhất e Є n=1 2 2 2 2 *e từ n=1→n=2 ∆E1→2=E2–E1 = -13,6(z /2 -z /1 )eV>0 →n=1 2 2 2 2 *e từ n=2 ∆E2→1=E1-E2= -13,6(z /1 -z /2 )eV<0 *e từ En thấp →En cao Hệ nhận năng lượng *e từ En cao →En thấp Hệ phát năng lượng
16. 2. Hệ nhiều electron: Gồm các nguyên tố chứa từ 2e trở lên: * Các e đẩy lẫn nhau các phân lớp trong cùng 1 lớp có E khác nhau * Các e di chuyển quanh nhân cũng trên các lớp và phân lớp tương tự trường hợp hệ 1e. * Trạng thái chuyển động của các e trong hệ nhiều e phải tuân theo các nguyên lý của cơ lượng tử.
17. a. Các nguyên lý của cơ lượng tử: α. Nguyên lý ngoại trừ Pauly: Trong 1 nguyên tử nhiều electron, không có cặp e nào có 4 số lượng tử hoàn toàn giống nhau. * Số e tối đa trong 1AO: Các e di chuyển trên cùng 1AO(Ѱn,l,m) phải có 3 số lượng tử n,l,m giống nhau số ms phải khác nhau Vì ms chỉ có 2 giá trị: ms= - 1/2 và ms= + 1/2 Trong 1AO chỉ chứa tối đa 2e với spin ngược chiều ↓ ms = -1/2 ms = +1/2 ↑ AO chứa 2e ↑↓ Còn ↑↑
18. * Số electron tối đa trong 1 phân lớp: Trong 1 phân lớp thứ l: Có (2l+1) AO có 2(2l+1)e Phân lớp s(l=0) chứa tối đa 2(2.0+1) = 2e s2 Phân lớp p(l=1) chứa tối đa 2(2.1+1) = 6e p6 Phân lớp d (l=2) chứa tối đa 2(2.2+1) = 10e d10 Phân lớp f (l=3) chứa tối đa 2(2.3+1)=14e f14 ns: s0 ; s1 ; s2 np: p0; p1 ; p2 ; p3 ; p4 ; p5 ; p6 nd: d0 ; d1 ; d2 ; d3 ; d4 ; d5 ; d6 ; d7 ; d8 ; d9 ; d10 nf: f0; f1; f2; f3; f4; f5; f6; f7; f8; f9; f10; f11; f12; f13; f14
19. * Số electron tối đa trong 1 lớp Trong lớp thứ n: Chứa tối đa (2.n2 )e n=1 tối đa 2.12= 2 e n=2 tối đa 2.22 = 8e n=3 tối đa 2.32 = 18 e n=4 tối đa 2.42 = 32 e n=5 tối đa 2.52 = 50 e n=6 tối đa 2.62 =72 e n=7 tối đa 2.72 = 98 e
20. β. Nguyên lý vững bền Trong 1 nguyên tử nhiều electron,các electron di chuyển quanh nhân như thế nào để năng lượng của hệ là nhỏ nhất. * Các phân lớp nl: Có (n + l)↑ E↑ Td: 3s(3 + 0)< 3p(3 + 1) E3s < E3p * Trường hợp 2 phân lớp có (n + l) bằng nhau: Phân lớp nào có n↑ En ↑ Td: 3d(3 + 2) và 4p(4 + 1) E3d < E4p 4p(4 + 1) và 5s(5 + 0) E4p < E5s
21. * Quy tắc Kleckowski: Trong 1 nguyên tử nhiều electron, các electron lần lượt vào chiếm các phân lớp có năng lượng nhỏ nhất trước(mỗi AO chỉ chứa tối đa 2e với spin ngược chiều).Khi nào phân lớp có năng lượng nhỏ hơn đã bão hòa electron,thì electron tiếp theo mới vào chiếm phân lớp có năng lượng cao hơn kế tiếp. Thứ tự tiến năng lượng của các phân lớp được xác định bởi qui tắc KlecKowski. Thứ tự tiến năng lượng của các phân lớp: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
22. Quy tắc Kleckowski:
23. γ. Quy tắc Hund: Trường hợp phân lớp có nhiều AO đồng năng: p.l: npx Các e lần lượt vào chiếm m = -1 0 +1 các AO như thế nào để: x p.l: nd ∑ms cực đại m = -2 -1 0 +1 +2 ∑m cực tiểu P1 ↑ d1 ↑ d6 ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ P2 ↑ ↑ d2 ↑ ↑ d7 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ P3 d3 ↑ ↑ ↑ d8 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ P4 ↑↓ ↑ ↑ d4 ↑ ↑ ↑ ↑ d9 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 5 ↑↓ ↑↓ ↑ P d5 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ d10 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 6 p ↑↓ ↑↓ ↑↓
24. δ. Ghi chú: * Các phân lớp p và d: Cấu hình bền nhất là cấu hình bão hòa và cấu hình bán bão hòa 6 3 p.l p Bền là p ↑↓ ↑↓ ↑↓và p ↑ ↑ ↑ 10 5 p.l d Bền là d ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓và d ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
25. b. Cấu hình electron: 1 ↑ 1H (1s ) 2 ↑↓ 2He (1s ) 2 1 ↑↓ ↑ 3Li (1s 2s ) 2 2 ↑↓ ↑↓ 4Be (1s 2s ) 2 2 1 ↑↓ ↑↓ ↑ 5B (1s 2s 2p ) 2 2 2 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 6C (1s 2s 2p ) 2 2 3 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 7N (1s 2s 2p ) 2 2 4 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 8O (1s 2s 2p ) 2 2 5 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 9F (1s 2s 2p ) 2 2 6 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 10Ne (1s 2s 2p )
26. Có thể viết cấu hình electron của các nguyên tố nếu biết Z 2 2 6 1 1 11Na (1s 2s 2p 3s ) (KL 3s ) ↑ 2 6 2 6 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ 26Fe (KL 3s 3p 4s 3d ) 2 6 2 9 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 29Cu (KL 3s 3p 4s 3d ) Nhưng: cơ cấu d9 không bền bằng cơ cấu d10 Cu sẽ hiệu chỉnh thành cơ cấu 4s1 3d10 2 6 1 10 ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 29Cu (KL 3s 3p 4s 3d )
27. c. Hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập: α.Trong ng.tử nhiều e, khi di chuyển ej bị các ei còn lại đẩy một lực đẩy tổng cộng là Sj Sj: hiệu ứng chắn của các ei tác dụng lên ej e(j) bị nhân hút yếu hơn tr.hợp ng.tử chỉ có 1e(j) Một ei sẽ gây 1 hiệu ứng chắn σij lên ej (Sj =∑σij) * ej càng xa nhân Sj ↑; ej càng gần nhân Sj ↓ e càng xa nhân e càng gần nhân * i σij↓: i σij ↑ Trong cùng 1 lớp: s p d f σ ij ↓
28. β. Hiệu ứng xâm nhập: Các e khi di chuyển, do lực hút của nhân tác dụng lên tạo nên hiệu ứng xâm nhập (e xâm nhập vào gần nhân hơn) e tạo hiệu ứng chắn σ mạnh hơn s p d f Trong cùng 1 lớp h.ứ xâm nhập ↓
29. III. Bảng phân loại tuần hoàn. 1. Vị trí của các nguyên tố trong bảng phân loại tuần hoàn. Là xác định chu kỳ và phân nhóm của nguyên tố: Chu kỳ: số lượng tử chánh n lớn nhất của ng.tố đó Phân nhóm chánh A Phân nhóm: Phân nhóm phụ B
30. * Nguyên tố thuộc phân nhóm chánh A: Là nguyên tố mà e cuối cùng đang xây dựng phân lớp ns hoặc np và phân lớp (n-1)d; (n-2)f không chứa hoặc đã chứa bão hòa e x 1 ns : ns p.nh IA 2 ns p.nh IIA ns2 npy 2 1 ns np p.nh IIIA 2 2 ns np p.nh IVA 2 3 ns np p.nh VA 2 4 ns np p.nh VIA 2 5 ns np p.nh VIIA ns2 np6 khí trơ
31. * Nguyên tố thuộc phân nhóm phụ B: Là ng.tố mà e cuối cùng đang x.d phân lớp (n-1)d ns2 (n-1)dz 1 d p.nh IIIB d2 p.nh IVB 3 d p.nh VB 4 d p.nh VIB 5 d p.nh VIIB d6 7 d p.nh VIIIB d8 9 1 10 d ns (n-1)d p.nh IB 10 d p.nh IIB
32. 2. Tính chất của các nguyên tố: a. Tính kim loại và phi kim: α. Kim loại:là ng.tố mà ∑e lớp ngoài cùng ≤ 3 K.l gồm: phân nhóm IA; IIA; IIIA và các p.nh B β. Phi kim:là ng.tố mà ∑e lớp ngoài cùng ≥ 4 phi kim gồm:phân nhóm IVA; VA; VIA; VIIA * Các ng.tố thuộc chu kỳ lớn của p.nh IVA; VA là k.l b. Số oxyd hóa (+) cao nhất và số oxyd hóa (-) thấp nhất * Số oxyd hóa (+) cao nhất của 1 ng.tố = ∑e hóa trị của ng.tố đó e hóa trị là e có thể tham gia tạo liên kết
33. → Các ng.tố phân nhóm chánh A có soh(+) cao nhất = cột phân nhóm của ng.tố đó. 2 y (6-y)- 2 6 * ZX ( .ns np ) + (6-y)e X { ns np } Số oxyd hóa (-) thấp nhất= ∑e hóa trị - 8 →Kim loại chỉ có số oxyd hóa (+) →phi kim có : số oxyd hóa (+) và (-) b. Năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) của ng.tố I1 của 1 ng.tố là năng lượng cần thiết mà ng.tố nhận vào để tách 1e ra khỏi ng.tố →ion M+. + M → M + e I1 = EM+ - EM I1 > 0 I1↑ ng.tố càng khó ion hóa,tính khử và tính Kl ↓
34. c. Ái lực electron: Ái lực electron là năng lượng trao đổi khi 1 ng.tố nhận thêm 1e → ion X- - X + e → X A1 = EX- - EX (A1 có thể 0) A1 càng <0 càng dể nhận e tính oh,đađ,pk↑ d. Bán kính ng.tử * Trong cùng 1 phân nhóm, khi đi từ trên xuống số lượng tử chánh n↑ bán kính ng.tử↑ * Trong cùng 1 chu kỳ: các ng.tố thuộc phân nhóm chánh A, khi đi từ trái sang phải Z↑ rng.tô ↓ rng.tử,tính khư, kl ↑ rng.tử ↓, tính oh,pk,đađ ↑ I1↓